氣凝膠復(fù)合材料及其制造和使用方法
【專利說明】氣凝膠復(fù)合材料及其制造和使用方法
[0001]本申請是基于申請日為2010年11月22日，優(yōu)先權(quán)日為2009年11月25日，申請?zhí)枮?201080062308.9,發(fā)明名稱為："氣凝膠復(fù)合材料及其制造和使用方法"的專利申請的分案 申請。
[000^ 相關(guān)申請
[0003] 本申請根據(jù)35U.S.C.§119(e)要求2009年11月25日提交的美國臨時專利申請 No. 61/264352和2010年1月19日提交的美國臨時專利申請No. 61/296183的權(quán)益，將它們兩 者的全部內(nèi)容引入本文作為參考。
【背景技術(shù)】
[0004] 許多應(yīng)用得益于相對輕的且結(jié)合了所需的機械性能和絕緣特性的材料。建筑工業(yè) 和其它領(lǐng)域中的趨勢也偏愛其制造和使用是簡易的制品。因此，對于運樣的材料、制品W及 它們的制造和使用方法存在持續(xù)的需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明總體上設(shè)及包含氣凝膠的復(fù)合材料、制造方法、W及使用運樣的復(fù)合材料 的方法和制品?？偟膩碚f，本文中描述的復(fù)合材料具有運樣的熱導率(在23°C和1個大氣壓 下），其不大于約50mW/(m ? K)，例如，在約20-約30mW/(m ? K)的范圍內(nèi)，如26mW/(m ? K)，且 可小于或等于20mW/(m ? K)。所述復(fù)合材料可進一步特征在于它們的機械性能。
[0006] 例如，在一個實施方式中，本發(fā)明設(shè)及包括含有氣凝膠的材料(例如顆粒形式的） 和粘結(jié)劑(binder)(例如無機的，如水泥質(zhì)粘結(jié)劑)的自支撐剛性復(fù)合材料。在具體實施中， 所述自支撐剛性復(fù)合材料具有根據(jù)ASTM巧18測量的不大于約30mW/(m ? K)，例如26mW/ (m . K)或更低，如20mW/(m . K)的熱導率，且可進一步特征在于一種或多種機械性能例如其 壓縮強度、曉曲強度和/或彈性模量。在一些實施中，所述自支撐剛性復(fù)合材料包含一種或 多種其它成分，例如，表面活性劑、纖維、遮光劑、阻燃劑等。
[0007] 在另一實施方式中，本發(fā)明設(shè)及用于制造復(fù)合材料的方法。該方法包括:將氣凝膠 顆粒、粘結(jié)劑、W及任選的一種或多種其它成分例如遮光劑、表面活性劑、阻燃劑、纖維等組 合W形成漿料;使該漿料成型或涂覆該漿料;和允許所述漿料硬化化arden)，從而產(chǎn)生所述 復(fù)合材料。在本發(fā)明的許多方面中，所述硬化周期(整個過程，cycle)的至少部分在壓縮下 進行。當采用纖維或其它絲狀(filamen化ry)材料時，本發(fā)明的一些方面偏愛窄的纖維長度 分布，在許多情況中，所述纖維長度分布向更高的纖維長度值偏移。
[000引在一種實施中，用于制造自支撐剛性復(fù)合材料的方法包括:將氣凝膠顆粒與粘結(jié) 劑組合W形成漿料;使所述漿料成型;和允許所述成型的漿料硬化，其中所述硬化過程的至 少部分在壓縮下進行，從而產(chǎn)生具有如下的自支撐剛性復(fù)合材料:在23°C和1個大氣壓下不 大于約50mW/m，K的熱導率；W及選自如下的一種或多種機械性能：（i)大于約0.05MPa的曉 曲強度；（ii)大于約O.lMPa的壓縮強度;和(iii)大于約0.5MPa的彈性模量。
[0009]在另一實施中，用于制造自支撐剛性復(fù)合材料的方法包括:將含有氣凝膠的材料 與粘結(jié)劑組合W形成漿料;將絲狀材料與所述漿料通過混合過程組合，從而形成混合物，所 述混合過程基本上保持表征所述絲狀材料的初始絲(filament)長度;使所述混合物成型； 和允許混合物硬化，其中所述硬化過程的至少部分在壓縮下進行，從而產(chǎn)生所述自支撐剛 性復(fù)合材料。
[0010] 在進一步的實施中，用于制造剛性復(fù)合材料的方法包括:將含有氣凝膠的材料與 粘結(jié)劑組合W形成漿料;將絲狀材料與所述漿料通過混合過程組合，從而形成混合物，所述 混合過程基本上保持表征所述絲狀材料的初始絲長度;將所述混合物施加到基材上或開口 (opening)中；和允許該混合物硬化，從而形成所述剛性復(fù)合材料，其中所述剛性復(fù)合材料 具有:在23°C和1個大氣壓下不大于約50mW/m-K的熱導率；W及選自如下的一種或多種機 械性能：（i)大于約〇.〇5MPa的曉曲強度；（ii)大于約0.1M化的壓縮強度；和（iii)大于約 0.5MPa的彈性模量。
[0011] 在又一實施中，用于制造剛性復(fù)合材料的方法包括:將氣凝膠顆粒與粘結(jié)劑組合 W形成漿料;將所述漿料施加到表面上或開口中；和允許所施加的漿料硬化，其中所述硬化 過程的至少部分在壓縮下進行，從而產(chǎn)生具有如下的剛性復(fù)合材料:在23°C和1個大氣壓下 不大于約50mW/m ? K的熱導率；W及選自如下的一種或多種機械性能：（i)大于約0.05MPa的 曉曲強度；（ii)大于約0.1 MPa的壓縮強度;和(iii)大于約0.SMPa的彈性模量。
[0012] 在進一步的實施方式中，本發(fā)明設(shè)及含有氣凝膠的復(fù)合材料，例如具有本文中公 開的特性的自支撐和/或剛性復(fù)合材料，在下面進一步描述的各種制品和/或應(yīng)用中的用 途。
[0013] 本發(fā)明具有許多優(yōu)點。例如，本文中所描述的復(fù)合材料易于制造且使用簡便，在建 筑工業(yè)和其它最終用途應(yīng)用中提供優(yōu)異的性質(zhì)。通過將若干種有吸引力的性質(zhì)組合，運些 復(fù)合材料減少典型地需要的常規(guī)材料或制品的總數(shù)量，使建筑和制造過程簡化。在許多情 況中，氣凝膠的存在可降低材料的總重量，材料的總重量是許多建筑工程中的重要考慮因 素。替代地或者另外，氣凝膠的存在可減小絕緣體的體積例如厚度，而不犧牲絕緣性能。復(fù) 合材料(例如本文中描述的）中的熱性質(zhì)與機械性能的組合可導致承重的絕緣制品且可使 對于其它機械支撐體例如金屬支撐體的需求減少或最小化，所述金屬支撐體可傳導熱且由 此削弱總的絕緣性。與本文中公開的復(fù)合材料的一些有關(guān)的疏水性質(zhì)可在設(shè)及潮濕環(huán)境的 應(yīng)用中利用。在許多情況中，本文中描述的復(fù)合材料具有用于降低聲音或噪音的應(yīng)用的有 吸引力的聲學性能和/或優(yōu)異的耐燃性。
[0014] 本發(fā)明包括W下內(nèi)容：
[0015] 實施方式1.包含顆粒形式的含有氣凝膠的材料、無機粘結(jié)劑的自支撐剛性復(fù)合材 料，所述自支撐剛性復(fù)合材料具有：
[0016] (a)在23°C和1個大氣壓下不大于約30mW/(m ? K)的熱導率;和
[0017] (b)選自如下的一種或多種機械性能：
[0018] (i)大于約0.1 MPa的壓縮強度；
[0019] (ii化于約0.05MPa的曉曲強度;和
[0020] (iii)大于約〇.5Mh的彈性模量。
[0021] 實施方式2.實施方式1的自支撐剛性復(fù)合材料，其中所述熱導率在23°C和1個大氣 壓下不大于約26mW/m ? K。
[0022] 實施方式3.實施方式I的自支撐剛性復(fù)合材料，其中所述熱導率在23°C和I個大氣 壓下不大于約20mW/m ? K。
[0023] 實施方式4.實施方式1的自支撐剛性復(fù)合材料，其中所述曉曲強度大于約0.5MPa。
[0024] 實施方式5.實施方式1的自支撐剛性復(fù)合材料，其中所述曉曲強度大于約IMPa。
[0025] 實施方式6.實施方式1的自支撐剛性復(fù)合材料，其中所述壓縮強度大于約0.5MPa。
[0026] 實施方式7.實施方式1的自支撐剛性復(fù)合材料，其中所述壓縮強度大于約5MPa。
[0027] 實施方式8.實施方式1的自支撐剛性復(fù)合材料，其中所述彈性模量大于約1.3MPa。
[0028] 實施方式9.實施方式1的自支撐剛性復(fù)合材料，其中所述彈性模量大于約2MPa。
[0029] 實施方式10.前述實施方式中任一項的自支撐剛性復(fù)合材料，其中所述復(fù)合材料 具有在約0.06-約0.5g/cm3范圍內(nèi)的密度。
[0030] 實施方式11.前述實施方式中任一項的自支撐剛性復(fù)合材料，其中所述復(fù)合材料 包含水泥質(zhì)粘結(jié)劑。
[0031] 實施方式12.實施方式11的自支撐剛性復(fù)合材料，其中所述粘結(jié)劑選自水泥、石 膏、石灰、及其任意組合。
[0032] 實施方式13.前述實施方式中任一項的自支撐剛性復(fù)合材料，其中所述復(fù)合材料 包含纖維。
[0033] 實施方式14.實施方式13的自支撐剛性復(fù)合材料，其中所述纖維具有基本上均勻 的長度。
[0034] 實施方式15.前述實施方式中任一項的自支撐剛性復(fù)合材料，其中顆粒間空氣W 小于約30體積％的量存在于所述復(fù)合材料中。
[0035] 實施方式16.前述實施方式中任一項的自支撐剛性復(fù)合材料，其中所述復(fù)合材料 具有耐火性和/或耐燃性。
[0036] 實施方式17.實施方式1-16中任一項的自支撐剛性復(fù)合材料，其中所述復(fù)合材料 具有聲反射性能。
[0037] 實施方式18.包括彼此層壓的兩個或更多個層的制品，所述層的至少一個包括實 施方式1-17中任一項的復(fù)合材料。
[0038] 實施方式19.建筑物圍護結(jié)構(gòu)，其包含實施方式1-17中任一項的復(fù)合材料。
[0039] 實施方式20.火阻擋物，其包含實施方式1-17中任一項的復(fù)合材料。
[0040] 實施方式21.建筑材料，其包含實施方式1-17中任一項的復(fù)合材料。
[0041] 實施方式22.管道絕緣系統(tǒng)，其包含實施方式1-17中任一項的復(fù)合材料。
[0042] 實施方式23.管道絕緣系統(tǒng)，其中將實施方式1-17中任一項的復(fù)合材料設(shè)置于預(yù) 制組件中的內(nèi)部管和外部護套之間。
[0043] 實施方式24.剛性板，其包含實施方式1-17中任一項的復(fù)合材料。
[0044] 實施方式25.低溫絕緣系統(tǒng)，其包含實施方式1-17中任一項的復(fù)合材料。
[0045] 實施方式26. LNG運輸船，其包含實施方式25的低溫絕緣系統(tǒng)。
[0046] 實施方式27.包含實施方式1-17中任一項的復(fù)合材料的絕緣系統(tǒng)，其中所述復(fù)合 材料為承重的機械支撐體。
[0047] 實施方式28.用于建筑物結(jié)構(gòu)中的內(nèi)墻表面的干墻板，其包含實施方式1-17中任 一項的復(fù)合材料。
[004引實施方式29.吸聲天花板瓷磚，其包含實施方式1-17中任一項的復(fù)合材料。
[0049] 實施方式30.覆蓋有實施方式1-17中任一項的復(fù)合材料的混凝±天花板或地板 層。
[0050] 實施方式31.磚，其包含實施方式1-17中任一項的復(fù)合材料。
[0051] 實施方式32.灰漿，其包含實施方式1-17中任一項的復(fù)合材料的漿料前體。
[0052] 實施方式33.實施方式32的灰漿，其中所述灰漿施加至表面、磚之間、或墻元件之 間。
[0053] 實施方式34.擱筑體，其包含實施方式1-17中任一項的復(fù)合材料。
[0054] 實施方式35.用于將實施方式1-17中任一項的復(fù)合材料固定到支撐體的方法，包 括在所述復(fù)合材料中鉆孔。
[0055] 實施方式36.用于將實施方式1-17中任一項的復(fù)合材料安裝到支撐體上的方法， 包括在所述復(fù)合材料中鉆一個或多個孔。
[0056] 實施方式37.實施方式36的方法，進一步包括通過選自螺栓、螺絲釘、及其任意組 合的裝置將所述復(fù)合材料附著到所述支撐體上。
[0057] 實施方式38.用于制造自支撐剛性復(fù)合材料的方法，該方法包括：
[0058] (a)將氣凝膠顆粒與粘結(jié)劑組合W形成漿料；
[0059] (b)使所述漿料成型;和
[0060] (C)允許所述成型的漿料硬化，其中所述硬化過程的至少部分在壓縮下進行，從而 產(chǎn)生具有如下的自支撐剛性復(fù)合材料：
[0061 ] 在23°C和1個大氣壓下不大于約50mW/m ? K的熱導率;和
[0062] 選自如下的一種或多種機械性能：
[0063] (i)大于約〇.〇5MPa的曉曲強度；
[0064] (ii)大于約0.1 M化的壓縮強度;和
[0065] (iii)大于約0.5M化的彈性模量。
[0066] 實施方式39.實施方式38的方法，其中所述熱導率在23°C和1個大氣壓下不大于約 30mW/m ? K。
[0067] 實施方式40.實施方式38的方法，其中所述熱導率在23°C和1個大氣壓下不大于約 20mW/m ? K。
[0068] 實施方式41.實施方式38的方法，其中所述曉曲強度大于約0.5MPa。
[0069] 實施方式42.實施方式38的方法，其中所述曉曲強度大于約IMPa。
[0070] 實施方式43.實施方式38的方法，其中所述壓縮強度大于約0.5MPa。
[0071] 實施方式44.實施方式38的方法，其中所述壓縮強度大于約5MPa。
[0072] 實施方式45.實施方式38的方法，其中所述彈性模量大于約1.3MPa。
[0073] 實施方式46.實施方式38的方法，其中所述彈性模量大于約2MPa。
[0074] 實施方式47.實施方式38-46中任一項的方法，其中所述漿料通過模塑成型。
[0075] 實施方式48.實施方式38-47中任一項的方法，其中所述漿料進一步包含表面活性 劑。
[0076] 實施方式49.實施方式38-48中任一項的方法，進一步包括將所述漿料與絲狀材料 組合。
[0077] 實施方式50.實施方式49的方法，其中所述絲狀材料具有在為了使所述絲狀材料 分散在所述漿料中而進行的混合過程期間基本上得W保持的絲長度。
[0078] 實施方式51.實施方式38-50中任一項的方法，其中所述粘結(jié)劑是無機粘結(jié)劑、有 機粘結(jié)劑、或其任意組合。
[0079] 實施方式52.實施方式38-51中任一項的方法，其中所述粘結(jié)劑W含有粘結(jié)劑的組 合物提供。
[0080] 實施方式53.實施方式52的方法，其中所述含有粘結(jié)劑的組合物是薄漿配方。
[0081] 實施方式54.實施方式38-53中任一項的方法，其中所述自支撐剛性復(fù)合材料具有 在約0.06-約0.5g/cm3范圍內(nèi)的密度。
[0082] 實施方式55.實施方式38-54中任一項的方法，其中顆粒間空氣W小于約30體積％ 的量存在于所述復(fù)合材料中。
[0083] 實施方式56.用于制造自支撐剛性復(fù)合材料的方法，該方法包括：
[0084] a)使含有氣凝膠的材料與粘結(jié)劑組合W形成漿料；
[0085] b)將絲狀材料與所述漿料通過混合過程組合，從而形成混合物，所述混合過程基 本上保持表征所述絲狀材料的初始絲長度；
[0086] C)使所述混合物成型；和
[0087] d)允許所述混合物硬化，其中所述硬化過程的至少部分在壓縮下進行，從而產(chǎn)生 所述自支撐剛性復(fù)合材料。
[0088] 實施方式57 .用于制造剛性復(fù)合材料的方法，該方法包括：
[0089] a)將含有氣凝膠的材料與粘結(jié)劑組合W形成漿料；
[0090] b)將絲狀材料與所述漿料通過混合過程組合，從而形成混合物，所述混合過程基 本上保持表征所述絲狀材料的初始絲長度；
[0091] C)將所述混合物施加到基材上或開口中；和
[0092] d)允許所施加的混合物硬化，其中所述剛性復(fù)合材料具有在23°C和1個大氣壓下 不大于約50mW/m ? K的熱導率;和
[0093] 選自如下的一種或多種機械性能：
[0094] (i)大于約〇.〇5MPa的曉曲強度；
[0095] (ii)大于約0.1 MPa的壓縮強度;和
[0096] (iii)大于約〇.5MPa的彈性模量。
[0097] 實施方式58.用于制造剛性復(fù)合材料的方法，該方法包括：
[0098] (a)將氣凝膠顆粒與粘結(jié)劑組合W形成漿料；
[0099] (b)將所述漿料施加到表面上或開口中；和
[0100] (C)允許所施加的漿料硬化，其中所述硬化過程的至少部分在壓縮下進行，從而產(chǎn) 生具有如下的自支撐剛性復(fù)合材料：
[0101] 在23°C和1個大氣壓下不大于約50mW/m ? K的熱導率;和
[0102] 選自如下的一種或多種機械性能：
[0103] (i)大于約〇.〇5MPa的曉曲強度；
[0104] (ii)大于約0.1 M化的壓縮強度;和
[0105] (i i i)大于約0.5MPa的彈性模量。
【附圖說明】
[0106] 在附圖中，在不同的視圖中，參考符號指代相同的部件。附圖不一定是按比例的； 而是將